不同星箭分离方式下整星冲击环境特征分析

杨艳静，向树红，冯国松，韩晓健



不同星箭分离方式下整星冲击环境特征分析

杨艳静，向树红，冯国松，韩晓健

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

目的研究不同星箭分离方式下卫星的冲击环境特征。方法分析采用点源、线源和组合源火工装置完成星箭分离的卫星整星级冲击试验中不同位置测点加速度的实测值，研究其时域谱、频域谱和冲击响应谱特征，对不同星箭分离方式下整星冲击环境特点进行总结。结果三种分离方式下单位长度冲击响应的衰减率均在60%~70%之间。从频谱特点上来说，点源引起的冲击响应频率成分最为丰富，线源和组合源的功率谱分布相对集中。结论不同星箭分离方式下整星的冲击环境有一定的区别，在进行卫星抗冲击设计时，应考虑分离方式的不同。

火工冲击；星箭分离；卫星；响应特性

近年来，随着新型航天器的大型化和轻量化，发射过程将经历越来越严酷的高量级火工冲击环境，给航天器的研制带来了新的问题和挑战[1—2]。航天器火工装置动作时会产生大量级、高频响、短时间的复杂震荡性火工冲击载荷，对航天器电子仪器、脆性材料、轻薄结构的破坏作用十分突出。NASA曾统计1963—1985年间的所有飞行故障，经过分析，63次直接与火工冲击相关[3]。1983—1998年美国全部22次发射失败中，5次与分离分系统产生的火工冲击相关，占22.7%[4]。对于冲击引起的损伤，国内外普遍采用等效损伤原则模拟复杂振荡型冲击环境。在此基础上，也有不少学者开展了更加深入的研究，探讨损伤机理[5—9]。结果发现，冲击损伤除了和边界条件及材料特性紧密相关外，损伤和冲击载荷特性之间也有关联，因此有必要开展火工冲击载荷特性的研究。

航天器火工装置动作时产生冲击载荷的来源主要有三个部分[10]，火工品爆炸、结构预紧力释放和结构撞击。根据分离原理不同，航天火工冲击装置通常可以分为两类：点源和线源[11]。典型的点源包括爆炸螺栓、分离螺母、拔销器、切割器、电爆阀等。典型的线源包括柔性爆炸索、线性切割器等。点源和线源也可以结合起来，演变成组合源，例如V型包带。考虑到冲击载荷特性与火工品的种类是密切相关的，文中针对航天器整星火工冲击中常用的几种分离装置产生的冲击环境特点进行分析，为卫星抗冲击设计、试验条件的制定和剪裁工作提供参考。

1 点源冲击环境特点分析

点式连接方式可以作为一箭多星发射中、高轨道直接入轨卫星优先采用的连接方式[12]。本节以某遥感卫星为例，对爆炸螺栓引起的点源冲击环境特点进行分析。该卫星采用四点连接方式与运载连接，这里关注的12个测点分别位于推进舱立柱根部、中部和顶部，距离推进舱底面的高度分别为40，140，1130 mm，以向响应为例，分析整星冲击环境的特点，测点布置如图1所示，测点描述见表1。

表1 某点式连接卫星冲击测点布置

1.1 对接面附近测点冲击响应分析

对接面附近测点冲击响应时域曲线如图2所示，可以看出，曲线中有不止一个峰。表2中列出了不同测点的时域峰值和峰值对应的时间，可以看出，相邻峰值的时间间隔在0.015 s左右，在此时间内冲击波的传播距离要远大于测点和冲击源的距离。因此可以判定，多个冲击峰值的出现是由于不同爆炸螺栓起爆和应力释放的时间差异引起的。

表2 对接面附近测点冲击响应特征分析

图3给出了对接面附近不同测点的冲击响应谱计算结果(按=10，起始频率为10 Hz，间隔1/12 Oct计算)。可以看出，四个测点的冲击响应谱斜率接近，拐点频率区别较大，拐点频率最大的测点是脉宽最小、时域峰值最大的C01点。这印证了冲击响应谱的低频斜率主要由支撑条件确定，以及拐点频率与脉宽呈反比的规律[13]。

1.2 点源冲击响应随距离衰减特性分析

对不同测点方向冲击响应沿航天器纵向方向上的冲击响应变化特性进行分析，以对点源分离情况下冲击沿距离的衰减情况进行了解。

图4给出了沿推进舱各个立柱测点的向响应冲击响应谱计算结果，可以看出，对同一立柱的测点来说，测点的响应有随着距冲击源距离的增加而减小的趋势，并且距离较远的测点响应谱曲线斜率也较小。图5给出了加速度冲击响应谱峰值随距离变化的情况，可以看出，加速度的峰值随着距离冲击源距离的增加有明显的衰减。

图6给出了沿推进舱各个立柱测点的向响应去掉零频分量之后的功率谱密度计算结果，可以看出，距离冲击源较近的测点冲击响应频谱较宽，但是随着距冲击源距离的增加，高频响应衰减明显，低频响应出现先增加后衰减的趋势。

2 线源冲击环境特点分析

线型解锁装置通过导爆索点火后膨胀形成的侧向剪切力实现结构分离。根据结构形式的不同，线型解锁装置的种类有聚能炸药索、气囊式炸药索和膨胀管等[14]。这里以某线型解锁航天器为例，对线源冲击环境的特点进行分析。分析的12个测点分别分布在航天器的4个象限线上，测点位置分别位于对接面象限线，对接面象限线400，800 mm，同样以向响应为例分析冲击响应沿距离的衰减，了解线型解锁装置星箭分离时整星冲击环境的特点，测点布置见表3。

表3 某线型解锁卫星冲击测点布置

2.1 对接面附近测点冲击响应分析

图7给出了对接面测点冲击响应时域曲线，可以看出，曲线呈现单峰，符合典型的火工冲击时域曲线特征。

图8给出了对接面测点的冲击响应谱计算结果。可以看出，对于线源分离装置来说，冲击响应最大的位置发生在点火器附近测点(A01测点)。结合表4中数据可以看出，冲击响应的时域和响应谱峰值有沿周向递减的趋势。

表4 对接面测点冲击响应特征分析

2.2 线源冲击响应随距离衰减特性分析

通过对不同测点向响应沿航天器纵向方向上的冲击响应变化特性进行分析，对线源分离情况下冲击沿距离的衰减情况进行了解。

图9给出了航天器各象限线距离对接面不同距离测点的向响应冲击响应谱的计算结果，可以看出，对沿同一象限线的测点来说，测点的响应有随着距冲击源距离的增加而减小的趋势，并且测点响应谱曲线斜率也有随着距离增加而减小的趋势。图10给出了加速度冲击响应谱峰值随距离变化情况，可以看出，加速度的峰值随着距离冲击源距离的增加有明显的衰减。

图11给出了各象限线测点的向响应的功率谱密度计算结果，可以看出，距离冲击源较近的分离面上的测点冲击响应能量主要集中在10 000 Hz以下。随着距冲击源距离的增加，冲击响应在全频段的能量都有较为明显的衰减。

3 组合源冲击环境特点分析

包带式连接结构通过点源如爆炸螺栓连接，在星箭分离时包带的应变能释放引起的冲击环境类似于线源，因此可以将包带连接结构看做点源和线源的组合[15]。这里以某卫星为例，对包带式连接卫星的整星分离冲击环境进行分析。该卫星采用的包带式星箭解锁装置一共使用3个爆炸螺栓。这里分析的9个测点分别位于三个解锁点附近、解锁点上方和解锁点上方靠近承力筒上端面，以向响应为例分析，了解包带式解锁方式中整星冲击环境的特点，测点布置见表5。

表5 某包带解锁卫星冲击测点布置

3.1 对接面附近测点冲击响应分析

图12给出了对接面测点冲击响应时域曲线，可以看出，具有多个解锁点的包带式分离在卫星结构上产生的冲击响应也具有多峰值特性。

图13给出了包带式分离的解锁点附近测点加速度冲击响应谱曲线，可以看出，尽管三个爆炸螺栓型号完全相同，其解锁引起的冲击响应大小有明显的区别。结合表6中的时域数据分析可以看出，分离峰值出现较早的测点其响应量级较小一些。考虑到每个螺栓的装药量基本一样，推测出现这种现象的原因可能是由于爆炸螺栓起爆的时间差异导致包带预紧力释放在三个爆炸点处引起的加速度响应有了区别。由此可见，除了爆炸螺栓本身引起的冲击外，预紧力的释放对冲击响应也有相当的影响。

3.2 组合源冲击响应随距离衰减特性分析

对不同测点向响应沿卫星纵向上的冲击响应变化进行分析，以了解组合源分离情况下冲击沿距离的衰减情况。图14给出了各个解锁点及其上方测点向响应冲击响应谱计算结果，可以看出，随距冲击源距离的增加，测点的冲击响应谱在高频有较为明显的衰减，低频部分有时反而会增加(例如T03和T06)。图15中给出了加速度冲击响应谱峰值随距离变化情况，可以看出，加速度的峰值随着距离冲击源距离的增加有衰减的趋势。

表6 解锁点附近测点冲击响应特征分析

图16给出了各解锁点及其上方测点的向响应的功率谱密度计算结果，可以看出，解锁点附近测点冲击响应能量同样主要集中在10 000 Hz以下。随着距冲击源距离的增加，冲击响应在高频段的能量都有较为明显的衰减，但低频段的能量反而增加，这与冲击响应谱曲线的变化相呼应。

4 讨论

41 结构冲击衰减率

为了了解不同分离方式下结构的衰减率，这里定义一个衰减率指标：

式中：ΔSRS max i为距离冲击源不同高度测点的冲击响应谱峰值差；ΔSRS源为分离面测点的冲击响应谱；为几组数据的数学期望；为测点之间的距离。

分别对三种分离方式中航天器结构上分离面测点和舱段顶部测点的衰减率进行分析，结果显示，点源、线源、组合源的衰减率分别为66.3%，60.4%，63.4%。可以看出，三种分离方式下单位长度冲击响应的衰减率均在60%~70%之间，其中点源的衰减最多，线源最少，组合源居中。

4.2 冲击响应功率谱

文中讨论的三种航天器其响应量级受多种因素影响，没有可比性。由于这里只关注按功率谱在不同频率内的能量相对分布，所以在每一种分离冲击数据中，挑选分离面测点中响应最大的一个，计算其功率谱密度并用其最大值进行归一化，然后进行比对，如17图所示。可以看出，功率谱峰值对应的频率点源最高，组合源最低，线源在两者之间。从频谱宽度上来说，点源引起的冲击响应频率成分最为丰富，线源和组合源的功率谱分布相对集中。

5 结论

通过分析可以发现，不同分离方式下航天器结构上的冲击响应既有共性又有区别。

共同的特点是最大的冲击响应一般发生在冲击源附近，航天器结构上的响应随着据冲击源距离的增加发生衰减，且高频衰减比低频更加明显，但衰减的速度在变缓。

不同之处在于以下几方面。

1）点源和组合源引起冲击时域响应呈现多峰值特性，而线源引起的冲击时域响应呈现单峰值特性。

2）冲击响应频率谱密度分析表明，从频谱宽度上来说，点源引起的冲击响应频率成分最为丰富，线源和组合源的功率谱分布相对集中。

就单位长度冲击响应的衰减率来说，点源的衰减最多，线源最少，组合源居中。

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Pyrotechnic Shock Environment in Pyro-shock Separation of Different Rocket-Satellite Separation Manners

YANG Yan-jing, XIANG Shu-hong, FENG Guo-song, HAN Xiao-jian

(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Objective To study the pyrotechnic shock environment of different pyro-shock separation manners. Methods Pyro-shock accelerations measured at different locations on satellites with different separation pyrotechnic devices, including point source devices, line source devices and combined source devices, were analyzed. Time domain, frequency domain and shock response spectrum of the measured accelerations were studied and the features of different satellites pyro-shock environment were summarized. Results The satellite SRS peak value attenuation ratio in three different separation manners was between 60%~70%. The power spectrum of the shock response induced by point source devices was richer than that of the other two devices. The Power spectrum distribution of line source devices and combined source devices was relatively concentrated. Conclusion The satellite pyro-shock environment of different separation manual is different to a certain extent. The separation manners should be taken into consideration in anti-shock design of the satellite.

pyro-shock, rocket-satellite separation, satellite, response feature.

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.014

TJ01

A

1672-9242(2017)08-0070-09

2017-03-02；

2017-04-02

国防科工局技术基础“十二五”重点项目“航天器环境试验基线和剪裁技术(JSJC2013203B002)”。

杨艳静（1981—），女，河南南阳人，高级工程师，主要研究方向为航天器动力学环境工程。